Способ определения отклонений от прямолинейности

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения отклонений от прямолинейности. В способе за счет преобразования лазерного излучения формируется набор разночастотных дифракционных порядков, из которого создают две группы дифракционных порядков. Каждая группа дифракционных порядков формирует две интерференционные картины. В результате преобразования интерференционных картин получают два выходных сигнал. О смещении объекта судят по пропорциональному изменению частоты выходных сигналов. Изобретение позволяет уменьшить количество фотоприемников при одновременном увеличении числа контролируемых координат. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике" а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано для контроля точности перемещений объектов, например рабочих органов станков и измерительных приборов.

В настоящее время определение отклонений от прямолинейности может осуществляться как методом визирования, так и коллимационным методом. В первом случае определяются расстояния от проверяемой поверхности до выбранной исходной прямой, а во втором - измеряются углы наклона участков, равных шагу измерения, по отношению к выбранной исходной прямой [1].

Известен способ измерения фазового сдвига световых волн [2, аналог], относящийся к методу визирования, заключающийся в том, что монохроматические когерентные излучения опорного и измерительного каналов интерферометра направляют на периодическую структуру, созданную излучателем в среде распространения ультразвуковых волн, под углом, обеспечивающим многопорядковую дифракцию от каждого излучения, и преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрический сигнал, частота которого определяется алгебраической разностью номеров интерферирующих порядков, а фазовый сдвиг равен фазовому сдвигу световых волн.

Недостатком этого способа является ограничение функциональных возможностей, вызванное невозможностью измерения параметров непрямолинейности - пространственных смещений и угловых поворотов.

Известен способ измерения пространственного перемещения объекта [3, аналог] , относящийся к методу визирования, заключающийся в том, что формируют когерентное излучение, которое разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительный потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, по параметрам которых судят о смещении объекта.

Однако недостатком указанного способа являются низкая точность измерений перемещения в направлениях движения периодической структуры, низкое соотношение сигнал/шум при фазометрических измерениях и отсутствие опорного канала, приводящее к нескомпенсированности погрешностей от акустооптического преобразования частоты и изменений оптических свойств среды, а также сложная схема измерений, свойственная для метода визирования.

Наиболее близким по количеству общих признаков и по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения смещений объекта [4, прототип] , также относящийся к методу визирования, который заключается в том, что когерентное излучение разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительный потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, каждую из составляющих периодической структуры, движущуюся в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, охватывают положительной обратной связью с временной задержкой, используя в качестве сигнала, управляющего формированием соответствующей составляющей периодической структуры, электрический сигнал, полученный в результате преобразования дифрагированного на этой составляющей периодической структуры измерительного потока излучения, а о смещении объекта по оси, связанной с направлением движения периодической структуры, судят по пропорциональному изменению частоты электрического сигнала.

Недостатками, присущими этим способу, являются во-первых, ограничение точности измерений из-за отсутствии компенсации погрешностей, вносимых акустооптическим преобразованием частоты, изменений параметров (температуры Т, давления Р, влажности Н) оптической среды и нелинейностью измерений при смещениях объекта в направлениях движения периодической структуры из-за переменной временной задержки и влияния АЧХ пространственного фильтра акустооптического модулятора, как в [5].

Во-вторых, сложная схема измерений, свойственная для метода визирования из-за необходимости использования ортогональных мер длины в виде бегущей ультразвуковой волны акустооптических модуляторов.

Предлагаемое изобретение относится к коллимационному методу измерения и направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении точности измерений и упрощении схемы измерений.

Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения отклонений от прямолинейности, заключающемся в том, что формируют световой поток, формируют в прозрачной среде бегущую периодическую структуру с периодом 1, которой подвергают световой поток акустооптической модуляции, получают набор разночастотных дифракционных порядков, направляют разночастотные дифракционные порядки на объект, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, о смещении объекта судят по пропорциональному изменению частоты этого электрического сигнала, из набора выделяют пять разночастотных дифракционных порядков, четыре из которых ориентируют в двух плоскостях и направляют на объект, создают две интерференционные картины, для образования которых используют по два совмещенных разночастотных дифракционных порядка, отраженных от объекта, и по соответственно одному и двум из пяти разночастотных дифракционных порядков путем пространственного совмещения добиваются в последней периода бегущих интерференционных полос 2 и освещают ею неподвижную периодическую структуру с периодом 3, формируют бегущую интерференционную картину с периодом 4, осуществляют разделение электрических сигналов по частоте, кратной частоте акустооптической модуляции, производят компенсацию изменений параметров среды распространения дифракционных порядков и прозрачной среды периодической структуры, при этом осуществляют фазочастотное преобразование, а об угловых поворотах объекта судят по пропорциональному изменению частоты выходных сигналов.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данном способе.

Осуществление способа поясняется чертежами.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы устройства, реализующего предлагаемый способ при измерении перемещения 1x вдоль оси ОХ, угловых поворотов вокруг оси OZ (фиг. 1) и , вокруг оси OY (фиг. 2).

Фиг. 3 иллюстрирует измерительную схему, преобразующую входные оптические сигналы в выходные электрические сигналы: fвых(1x),fвых(),fвых(). На фиг. 4. изображена пространственная схема оптических пучков, приходящих и выходящих от блока отражателей.

Устройство для реализации способа (фиг, 1,2,4) содержит следующие элементы: источник монохроматического излучения (лазер) 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, генератор 4, оптический блок 5, блок отражателей 6, выполненный на основе триппель-призм 7 и 8, фотоприемники 9 и 10, измерительная схема 11, состоящая из четырех узкополосных усилителей 12 - 15, фазового детектора (ФД) 16 и трех подобных друг другу фазочастотных преобразователей (ФЧП) 17-19, первый из которых состоит из ФД 17.1 и частотного детектора (ЧД) 17.2, дифференциального усилителя 17.3, фильтра низких частот 17.4, генератора, управляемого напряжением 17.5, (устройство блоков ФЧП 18 и 19 на фиг. 3 не показано), зеркала 20 - 23, 26, 27, дифракционная решетка 25, линзы 24 и 28.

Вершина триппель-призмы 8 смещена на расстояние d/2 относительно оси, проходящей через вершину триппель-призмы 7. Выходная боковая грань триппель-призмы 7 выполнена полупрозрачной.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок и направляется на АОМ 3. Генератор 4 формирует набор электрических сигналов стабилизированной частоты причем U1 поступает на электрический вход АОМ 3, a U1, U2 и U3 на третий, четвертый и пятый входы измерительной схемы 11. В АОМ 3 формируются бегущие ультразвуковые волны с периодом 1 , на которых лазерное излучение дифрагирует в режиме Рамана-Ната и формирует пространственно разнесенные разночастотные дифракционные порядки в плоскости XOY: E(+2), E(+1), E(0), E(-1), E(-2).

Оптический блок 5 преобразует входной набор расходящихся дифракционных порядков E(+2), E(+1), E(0), E(-1), E(-2) в набор параллельных пучков, при этом в плоскости XOY формируется набор из дифракционных порядков E(+2), E(0), E(-1), а в плоскости XOZ - E(+2), E(+1), E(-1), E(-2).

Как видно из фиг.1, выходя из оптического блока 5, дифракционные порядки (оптические пучки) E(+2) и E(0) смещены друг от друга на расстояние d. Оптический пучок E(0) отражается от боковой грани триппель-призмы 7. Пучок лучей E(+2) отражается от боковых граней триппель-призмы 8, проходит через полупрозрачную боковую грань триппель-призмы 7 и, совместившись с пучком лучей E(0), следует по пути: зеркало 26 ---> линза 28 ---> фотоприемник 9.

Дифракционный порядок E(-1) выходит из оптического блока 5, отражается от зеркала 27, проходит через линзу 28 и также освещает фотоприемник 9.

При движении по непрямолинейной траектории движения блок отражателей 6 будет совершать наклоны, что будет приводить к изменению длины оптического хода лучей, которое в свою очередь будет приводить к изменению фазы [6].

Фиг. 2 показывает, что в плоскости XOZ с выхода оптического блока 5 следует четыре дифракционных порядка E(+2), E(+1), E(-1), E(-2). При этом пучки E(+1) и E(-1), сдвинутые друг относительно друга на расстояние d, направляются на блок отражателей 6, а пучки E(+2), E(-2) используются для создания опорного канала.

Пространственное совмещение оптических пучков E(-1) и E(+1) в блоке отражателей 6 происходит так же, как описано для пучков E(+2) и E(0) (фиг. 1). После блока отражателей 6 оптические пучки E(-1) и E(+1) следует по пути: зеркало 21 ---> линза 24 ---> дифракционная решетка 25 ---> фотоприемник 10.

Дифракционный порядок E(+2) выходит из оптического блока 5 и после отражений от зеркала 20 на линзу 24 на вход фотоприемника 10.

Пространственное совмещение дифракционных порядков E(+2), E(0), E(-1) (фиг. 1,3) формирует результирующую интерференционную картину на входе фотоприемника 9, который генерирует электрический сигнал U4, состоящий из трех составляющих где U41(1x) - сигнал, образующийся от интерференции пары E(0) - E(-1), фаза которого связана с линейным смещением 1x вдоль оси ОХ, U42() - сигнал, образующийся от интерференции пары E(0)-E(+2), фаза которого связана с угловым поворотом вокруг оси OZ, U43() - сигнал, образующийся от интерференции пары E(-1)-E(+2), фаза которого связана с линейным смещением 1x вдоль оси ОХ.

Электрический сигнал U4 поступает на первый вход измерительной схемы 11 и далее на входы узкополосных усилителей 12 и 13, которые настроены соответственно на частоты fм и 2fм. С помощью этих узкополосных усилителей 12 и 13 происходит частотное разделение сигналов. Сигнал (частотная составляющая) U41(1x), выделяемая узкополосным усилителем 12, поступает на первый вход ФЧП 17 и далее на первый вход ФД 17.1. Сигнал U42(), выделяемый узкополосным усилителем 13, поступает на первый вход ФЧП 18, а сигнал U43(1x) подавляется обоими узкополосными усилителями 12 и 13 и на их выходах не превышает уровня шума.

На второй вход ФЧП 17, на второй вход ФД 17.1 и первый вход ЧД 17.2 поступает сигнал U1, который, воздействуя на ФД 17.1 входным фазовым рассогласованием (1x) = (1x)-o, формирует выходной сигнал U7(1x) = kфд17.1(1x), (2) где kфд - коэффициент преобразования ФД.

В описании принимается, что коэффициенты преобразования ФД 16 и всех фазовых детекторов, а также всех частотных детекторов в ФЧП 17-19 должны быть одинаковы между собой: kфд = kфд16 = kфд17.1 = kфд18.1 = kфд19.1; kчд = kчд17.2 = kчд18.2 = kчд19.2
Блок ФД 16 определяет фазовый набег опорного канала оп на частоте 4f0 (от изменений оптических свойств окружающей среды и АОМ 3) и формирует опорный сигнал U6 поступающий на третьи входы всех ФЧП 17-19
U6= kфд[(1оп)-o] = kфдоп, (3)
где kфд - коэффициент преобразования ФД 16.

Сигнал U7(1x) подается на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 17.3, на его первый инвертирующий вход приходит сигнал с выхода ФД 16 U6 а на второй инвертирующий вход поступает сигнал с выхода частотного детектора 17.2 Uчд(1x), который пропорционален разности частот входных сигналов
Uчд(1x) = kчд[fвых(1x)-fм], (4)-
Блоки - дифференциальный усилитель 17.3, фильтр низких частот 17.4, генератор, управляемый напряжением 17.5 и частотный детектор 17.2 образуют цепь автоподстройки частоты, которая отслеживает изменения входного U7(1x) и опорного U6 сигналов.

При большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя 17.3 и равновесном следящем состоянии ФД 17.1 выполняется равенство Uчд(1x) = U7(1x)-U6, приводящее к выражению:

где (1x) - фазовый набег от линейных перемещений вдоль оси ОХ с компенсацией изменений параметров АОМ и среды.

После аналогичных преобразований получается выражение для угловых поворотов

где () - фазовый набег от угловых поворотов вокруг оси OZ с компенсацией изменений параметров АОМ и среды.

Пространственное совмещение дифракционных порядков E(+2), E(+1), E(-1), E(-2) приводит к формированию сложной интерференционной картины, которая проходит через дифракционную решетку 25 и освещает фотоприемник 10, формирующий сигнал U5. Минимальный период формируемой бегущей интерференционной картины 2 зависит от угла , возникающего между сходящимися пучками E(+2)и E(-2)
2= /sin. (7)
Освещение бегущей интерференционной картиной с периодом 2 дифракционной решетки с периодом 3 приводит к созданию бегущих комбинационных полос, период 4 которых определяется выражением:
4= 23/(2-3). (8)
При подборе значений угла и периода 3 дифракционной решетки для выполнения условия 23 период 4 увеличивается до значений, сопоставимых с размером фотоприемника 10. Этим обеспечивается помехоустойчивость фотопреобразования [7] . Ввиду малости угловых наклонов период бегущей интерференционной картины, образованной порядками E(+1) и E(-1), сопоставим с размером фотоприемника 10 и не влияет на качество сигнала U5.

В результате пространственного совмещения дифракционных порядков E(+2), E(+1), E(-1), E(-2) на выходе фотоприемника 10 образуется сигнал U5

где U51() - сигнал, образующийся от интерференции пары E(+1)-E(-1), соответствующий угловому повороту вокруг оси OY,
U52(оп) - сигнал, образующийся от интерференции пары E(-2)-E(+2), для фазового набега оп в опорном канале,
U53(1x) - сигнал - сумма частотных составляющих U(fм;1x), образующихся от взаимной интерференции порядков E(+1), E(+2), E(-1), E(-2), соответствующих линейному смещению 1x вдоль оси ОХ, частота которых отлична от 2fм и 4fм.

Электрический сигнал U5 поступает на второй вход измерительной схемы 11 и далее на входы узкополосных усилителей 14 и 15, настроенных на частоты 2fм и 4fм. Далее происходит частотное разделение сигналов. Частотная составляющая U51(), выделяемая узкополосным усилителем 14, поступает на первый ФЧП 19. Частотная составляющая U52(оп), выделяемая узкополосным усилителем 15, поступает на первый вход фазового детектора 16. Сигналы U53(1x) и U54(1x) подавляются узкополосными усилителями 14 и 15 и на их выходах не превышают уровня шума.

Зависимость выходной частоты от угловых наклонов fвых() выводится для блока ФЧП 19 подобно приведенной выше цепочке выражений (2)-(5):

Полученные выражения (5), (6) и( 10) показывают линейность преобразования всего процесса преобразования и, следовательно, повышается точность измерений.

Устройство оптического блока 5 конструктивно может быть реализовано как на основе отдельных оптических элементах, так и в интегральном исполнении. Такое техническое решение упрощает схему измерений.

Сущность способа заключается в следующем.

1. Для упрощения оптической схемы предлагается совместить использование однокоординатного АОМ и оптического блока. Последний осуществляет формирование двух дифракционных порядков в плоскостях XOY и XOZ. Это позволяет проводить измерения смещений объекта как вдоль направления луча света - ось X, так и вокруг ортогональных осей Y и Z.

2. Использование режима акустооптической модуляции в режиме Рамана-Ната, формирует симметричный оптический спектр дифракционных порядков. Частотный сдвиг между соседними дифракционными порядками равен частоте модуляции м, а угол дифракции = sin/, где - длина волны света, - длина ультразвуковых волн. При применении комбинаций из пяти дифракционных порядков E(-2) - E(+2) удается сформировать две разные интерференционные картины, причем первая (для измерения смещений 1x и углового поворота состоит из трех дифракционных порядков E(-1), E(0) и E(+2), а вторая (для измерения смещений 1x и изменений по опорному каналу lоп) состоит их четырех E(-1)- E(+1), E(-2) - E(+2).

После фотоэлектрического преобразования каждой интерференционной картины создаются электрические сигналы U4 и U5, в которых содержатся по два разночастотных сигнала, выражения (1) и (9).

Такое техническое решение с частотным уплотнением и разделением сигналов (оптического, электрического) позволяет уменьшить количество фотоприемников при одновременном увеличении числа контролируемых координат.

3. В предлагаемом способе используется линейный режим работы фотоприемников, обеспечивающий при фотосмешении нескольких разночастотных оптических сигналов исключение нелинейных эффектов.

4. Для повышения точности измерений в измерительной схеме предлагается применить фазочастотные преобразователи таким образом, чтобы высокоточное преобразование "фаза-частота" осуществилось в электронном канале.

Кроме этого, повышение точности измерений осуществляется при преобразовании "фаза-частота" без положительной обратной связи с временной задержкой, а в электронном канале посредством использования фазочастотных преобразований. Это устраняет как нелинейность преобразования при угловых поворотах и из-за переменной временной задержки, так и влияние АЧХ пространственного фильтра акустооптического модулятора [5] . Применение высокостабильного кварцевого генератора [8] по показателям максимальной девиации частоты 0,005% и температурным коэффициентом частоты <110-6 в диапазоне температур -30...70oC значительно превосходит стабильность генератора на основе положительной обратной связи.

Источники информации
1. Медянцева Л.Л., Горбачева В.В., Шарова E.E. Контроль прямолинейности и плоскостности поверхностей. М.: Издательство стандартов. 1972. - 119 с.

2. A.c. N 572646, МПК G 01 В 11/00. 1977 (аналог).

3. A. c. N 1610252, МПК G 01 В 11/00. Способ измерения пространственных перемещений объекта. // Телешевский В.И., Яковлев Н.А., Игнатов С.А. Опубл. в Б.И.N 44, 1990 (аналог).

4. A.c. N 1765691, МПК G 01 В 21/00. Способ измерения смещений объекта. Телешевский В.И., Яковлев Н.А. //Опубл. в Б.И. 1992, N 36 (прототип).

5. Бабкина Т. В., Григорьянц В.В., Ильин Ю.Б., Лобанов А.А. Применение лазерного генерирующего гетеродинного интерферометра в качестве оптического датчика микроперемещений. Квантовая электроника. 18, N 12 (1991), с. 1498-1502.

6. A.c. N 1696851, МПК G 01 В 9/02. Интерферометр для измерения отклонений от плоскостности. Базыкин С.Н., Базыкина Н.И., Капезин С.В., Телешевский В.И., Яковлев Н.А. Опубл.в Б.И, N 45, 1989.

7. Положительное решение по заявке N 99102921/28 (003020), МПК G 01 В 11/02. Способ определения положения границы объекта. Леун E.В. Приоритет от 12.02.99.

8. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. -М.: Радио и связь, 1991.- 264 с.


Формула изобретения

Способ измерения смещений объекта, заключающийся в том, что формируют световой поток, создают в прозрачной среде периодическую структуру с периодом которой подвергают световой поток акустооптической модуляции, получают набор разночастотных дифракционных порядков, направляют разночастотные дифракционные порядки на объект, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, отличающийся тем, что из набора выделяют пять разночастотных дифракционных порядков, четыре из которых ориентируют в двух плоскостях, создают две интерференционные картины, для образования которых используют по два совмещенных разночастотных дифракционных порядка, отраженных от объекта, и по, соответственно, одному и двум из пяти разночастотных дифракционных порядков, путем пространственного совмещения добиваются в последней периода бегущих интерференционных полос и освещают ею неподвижную периодичную структуру с периодом формируют бегущую интерференционную картину с периодом осуществляют разделение сигналов по частоте, кратной частоте акустооптической модуляции, производят компенсацию изменений параметров среды распространения дифракционных порядков и прозрачной среды периодической структуры, при этом осуществляют фазочастотное преобразование, а о смещении объекта судят по пропорциональному изменению частоты выходных сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения диаметров цилиндрических тел

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения углового положения центра и геометрических размеров протяженного объекта

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного определения перемещения объектов

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения геометрических параметров нагретых изделий, и может быть использовано при производстве проката, поковок и обечаек

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах технического контроля

Изобретение относится к области намотки рулонных материалов и обеспечивает повышение точности контроля диаметра рулонов

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах АСУ ТП промышленных предприятий

Изобретение относится к устройствам для контроля геометрических размеров и дефектов типа посечек, сколов, трещин стеклоизделий

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения линейных размеров

Изобретение относится к технике измерений геометрических параметров износа проводов оптическим бесконтактным способом

Изобретение относится к области измерительной техники

Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения диаметров цилиндрических тел

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для диагностики усталостного износа металлоконструкций (МК) и прогнозирования остаточного ресурса

Изобретение относится к области измерений физико- химических свойств жидкостей и расплавов и может быть использовано для оценки степени гидрофильности твердых поверхностей различными жидкими средами

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения взаимного положения осей или элементов объектов в машиностроении и строительстве

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля геометрических параметров лопаток и межлопаточных каналов лопаточных решеток (рабочих колес и направляющих аппаратов) машины

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения отклонений от прямолинейности

Наверх